地球物理勘探与工程物探

地球物理勘探与工程物探

一、地球物理勘探分类

（一）地球物理学

地球物理学是运用物理学的原理和方法来研究地球的学问，是一门横跨物理学和地质学的边缘、交叉科学。地球物理学所研究的对象极为广泛，上达数百公里高空的游离层，下至地球深处，包括重力、电场、地磁、地震和放射性等物性特征，都属于其研究的领域和对象。

（二）地球物理勘探

将研究地球的各种物理方法用来寻找地下矿藏，或者用来探测岩体的赋存状况，以满足工程建设的需求，就产生了应用地球物理学，或称为地球物理勘探，简称物探。地球物理勘探是以地下岩体的物理性质的差异为基础，通过探测地表或地下地球物理场、分析其变化规律，来确定被探测地质体在地下赋存的空间范围(大小、形状、埋深等)和物理性质，达到寻找矿产资源或解决水文、工程、环境问题为目的的一类探测方法。

（三）地球物理勘探分类

（1）按探测对象、应用领域的不同，物探可分为：

①石油物探

②煤田物探

③金属非金属物探

④放射性物探

⑤水文物探

⑥工程物探

⑦环境物探

（2）按工作环境的不同，物探可分为：

①地面物探

②航空物探

③海洋物探

④地下物探

二、地球物理勘探方法

根据所探测对象（如岩溶、构造、矿体等各类目的体以及地层等）的物理性质的不同，可将地球物理勘探分为重力勘探、磁法勘探、电法勘探、放射性勘探、地震勘探、地球物理测井和地热勘探等多种方法。

（一）重力勘探

重力勘探是研究由地下岩层与其相邻层之间、各类地质体与围岩之间的密度差而引起的重力场的变化(即“重力异常”)来勘探矿产、划分地层、研究地质构造的一种物探方法。重力异常是由密度不均匀引起的重力场的变化，并迭加在地球的正常重力场上。

重力观测方法主要有动力法和静力法两种。

⑴动力法是观测物体的运动，直接测定的量是时间。

⑵静力法是观测物体的平衡，直接测定的量是线位移或角位移。静力法只能用于重力的相对测

定，是目前重力勘探中用于重力测定的唯一方法。

（二）磁法勘探

磁法勘探是研究由地下岩层与其相邻层之间、各类地质体与围岩之间的磁性差异而引起的地磁场强度的变化(即“磁异常”)来勘探矿产、划分地层、研究地质构造的一种物探方法。磁异常是由磁性矿石或岩石在地磁场作用下产生的磁场迭加在正常场上形成的，与地质构造及某些矿产的分布有着密切的关系。

磁法勘探按观测磁场的方式可以分为地面磁测和航空磁测两类基本方法。

（三）电法勘探

电法勘探是以岩石、矿物等介质的电学性质为基础，研究天然的或人工形成的电场、磁场的分布规律，勘探矿产、划分地层、研究地质构造、解决水文工程地质问题的一类物探方法，也是物探方法中分类最多的一大类探测方法。按照电场性质的不同，可分为直流电法和交流电法两类。本手册电法勘探指的是直流电法，交流电法则称为电磁法勘探。

直流电法勘探主要包括电剖面法、电测深法、充电法、激发极化法及自然电场法等。前几种方法是探测、分析人工向地下供入直流电形成的电场，而自然电场法则是探测天然电场。

⑴电剖面法：电极之间的距离保持不变、电极装置沿测线的不同测点进行观测。由于电极间距离不变，因而勘探的深度也是不变的。用此方法可以探明同一深度内岩层沿水平方向电性的变化，以了解地下相应深度范围内地质体的分布情况。按电极排列方式不同，电剖面法可分为四极对称剖面法、联合剖面法、中间梯度法、偶极剖面法和纯异常剖面法等。

⑵电测深法：用改变电极距的方法探测同测点在不同深度视电阻率的变化，以研究和确定不同电性岩层的电阻率值和埋藏深度。根据供电电极和测量电极之间的相对位置和电极排列方式的不同，电测深法可分为四极对称测深(又名垂向电测深)、不对称测深、轴向和偶极测深等装置类型。

⑶充电法：直接向天然出露或人工揭露的良导电性勘探对象供电，使之成为新电流源，在地面或钻孔内观测这种充电体的电场，根据电场的分布特点来研究充电体本身以及周围的地质分布情况。例如，将食盐盐包(其水溶液为低阻体)放在地下水中并使它带电，则可以根据地面上电场的分布形态了解地下水的流向和流速。充电法在地面上观测电场的方法通常有电位法、电位梯度法和直接追索等位线法三种。

⑷激发极化法：是基于研究岩石或矿石在外电场作用下所产生的次生极化(激发极化)电场，来勘探金属矿产、查找地下水、研究地质构造的一种电探方法。激发极化法可以采用电阻率法的各种装置进行，实际工作中经常采用中间梯度装置。

⑸自然电场法：是基于研究地壳内因各种物理和化学作用形成的自然电场，从而达到勘探矿产和解决水文工程地质问题的一种电探方法。

电剖面法和电测深法是以研究岩石电阻率为基础的电探方法，故统称为电阻率法。充电法、激发极化法以及自然电场法，则是以研究电位为基础的电探方法。

（四）电磁法勘探

电磁法勘探，即交流电法勘探，主要包括感应法、大地电流法、无线电波透视法、无线电波法、频率测深法、强度法和无限长导线法等。

⑴感应法：用专门的振荡器产生高频的交变电磁场，地壳中的良导矿体在此磁场的作用下感应出二次电流，该电流又产生二次磁场。感应法就是用接收装置来观测、研究二次磁场，以确定产生感应电流的矿体的位置。

⑵大地电流法：地磁的连续变化在地壳中能感应出交变的大地电流，通过观测地下电性不均匀体引起的大地电流的相应变化，便可查明地下地质结构构造的分布。

⑶无线电波法：是基于不同岩层对无线电广播电台发射的电磁波的吸收作用及感应产生的二次强度的不同，通过测量其电磁波的强度，便可查明地质构造、划分地层界线。

⑷ 无线电波透视法(阴影法)：当地质体位于发射和接收装置之间(如在坑道、地面、钻孔之间)，观测不同位置电磁场强度的分布，由电磁波强度急剧减弱的部位（即所谓 “阴影”区）确定地质体的空间位置和大小。

⑸ 频率测深法：在地面用专门的振荡器向地下发送不同频率的电磁波，测出各测点的电磁波强度，研究不同频率的电磁场分布，以了解组成地壳的地层在垂直方向上的变化。

⑹ 强度法：研究低频电流场产生磁场的垂直分量和水平分量，将观测结果与在均匀介质中磁场分布图进行比较，研究磁场的畸变，从而确定引起畸变的地质对象。

⑺ 无限长导线法：将低频电流经布置在地面上的长直导线输入地下，在导线中央部位沿垂直于导线的测线上用类似于强度法的装置测量磁场的水平分量。

（五）地震勘探

地震勘探是一种使用人工方法激发地震波，观测其在岩体内的传播情况，以研究、探测岩体地质结构和分布的物探方法。地震波自震源向各方传播，在存在波速或波阻抗差异的岩层、各类目的体分界面上会发生反射和折射，然后返回地面，引起地面振动。通过仪器设备（地震仪、检波器等）记录振动（地震记录），通过分析解释地震记录的特性(传播时间、振幅、相位及频率等)，就能确定分界面的埋藏深度、岩石的组成成分和物理力学性质。

弹性波的传播，实际上是介质中弹性应变的传播，包括两种基本应变——体变和切变。与体变相应的波称为纵波(以符号P 表示)；与切变相应的波称为横波(以符号S 表示)。根据广义虎克定律及牛顿第二定律建立的波动方程可推导出：

)211()1(342μμ)(ρμE ρG K ρG λV P -+-=+=+= (1.4-1)

)1(2μρρ+==E G

V S (1.4-2)

式中：E 为杨氏弹性模量， Pa ；

G 为剪切模量，Pa ；

K 为压缩模量，Pa ；

μ为泊松比；

λ为拉梅系数；

ρ为密度，kg/m 3；

V P 为纵波速度，m/s ；

V S 为横波速度，m/s 。

纵横波速度比Vp/Vs 有式(1.4-3)的关系。对于自然界的大多数岩石来说，μ近于0.25，此时纵波的传播速度一般近似为横波传播速度的1.73倍（见式(1.4-4)）。因为μ最小为零，故Vp/Vs 最小近似为1.41（见式(1.4-5)），由此可见，纵波速度永远大于横波速度。

μμ21)1(2--=S P V V (1.4-3)

73.13,25.0≈≈→S P V V μ (1.4-4)